多孔碳纳米纤维表现出异常的电容性去离子化

时间:2020-04-28 22:40 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

多孔碳纳米纤维表现出异常的电容性去离子化

电容去离子化(CDI)在能量上对水的去离子化是有利的,但由于离子可达表面不足和电子/离子传输缓慢,现有的方法受到脱盐能力和耗时周期的限制。在一份关于科学进展的新报告中,刘天宇和他在美国弗吉尼亚理工大学化学系、土木与环境工程系和纳米科学系的一个研究小组证明了多孔碳纤维(PCF)是一种有效的CDI材料。他们从微相分离聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA-b-PAN) -块聚丙烯腈(PMMA-b-PAN)中得到了PCFs。由此产生的PCFs保持了丰富而均匀的中孔与微孔相互连接,形成了具有大的离子可达表面积和高脱盐能力的分级多孔结构。连续的碳纤维和相互连接的多孔网络允许快速的电子/离子传输,以保持高的脱盐率。该工作突出了共聚物基PCF在高容量、高速率CDI中的应用前景。

淡水的日益减少和分配不均给技术和社会经济发展带来了严重的挑战。海水淡化是一种很有前途的方法,它建立在一个巨大的海水水库之上,以解决淡水短缺的问题。反渗透和热蒸馏是处理高盐浓度海水或半咸水的广泛应用的技术,尽管这种方法在盐浓度较低时是能源密集型和昂贵的。作为一种替代方法,电容性去离子化(CDI)可以通过电吸附或假电容反应去除低盐浓度的海水中的离子。

材料科学家利用多孔碳作为CDI电极材料的主要材料,因为多孔碳具有高导电性、大的表面积、可定制的结构和优异的稳定性。例如活性炭(AC)、石墨烯气凝胶和来自生物质的大孔碳。但是,这种材料的脱盐能力和速率仍有待改进。基于微孔材料和大孔材料的有限性能,Liu等人提出假设,由于层次结构的互联性,碳纤维将能够实现高的脱盐率。在这项研究中,研究小组证明多孔碳纤维(PCFs)是电容性去离子化的优良电极材料。该技术的创新依赖于碳电极前体在分子水平上的设计。Liu等人使用嵌段共聚物通过静电纺丝、氧化、稳定和热解来生成PCFs。由此产生的大面积有效的海水淡化表面积,丰富而均匀的结构,通过允许快速的电子传输和快速的离子扩散,增强了海水淡化能力。

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为了设计用于CDI的材料,研究小组研究了三种碳材料,包括嵌段共聚物基PCF(多孔碳纤维),具有较大的离子可达表面积。该团队还测试了工业聚丙烯腈基碳纤维(CF)和活性炭(AC)。纤维状的碳和相互连接的中孔为电子和离子提供了连续有效的运输途径,同时降低了细胞内的脱盐内阻,提高了脱盐速率。相比之下,其他材料的电吸附面积有限,脱盐速率下降。然后,该团队粘住了所有三种材料;PCF、CF、AC镀锡铜带,用作CDI电池的电极。利用扫描电子显微镜(SEM)图像,他们注意到三种不同材料的不同外观。根据初步结果,他们预计PCF将显示出最高的脱盐率。

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接下来,科学家们进行了一系列实验,以了解这三种材料的化学和电学特性。在测量了表面之间的水接触角后,他们发现交流衬底的接触角很大,这代表了一种疏水(疏水)界面——不希望淡化水溶液。同时,在不添加任何导电添加剂的情况下,根据电化学阻抗谱和四点探针测量,PCF和CF材料具有良好的导电性能。基于层次化多孔结构、有效表面积、高导电性和低扩散电阻等多重特性,该团队认为PCF将是CDI的优良电极材料。

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他们证明了PCF的去离子化能力,方法是用氯化钠(NaCl)淡化两种水源,包括用氯化钠(NaCl)淡化人造半咸水和用两个对称电极的锥形细胞中的NaCl淡化合成自来水。他们用离子色谱法测定了浓度,并注意到经过5个去离子化周期后,自来水的NaCl浓度已经下降到超低浓度。Liu等人通过在两个PCF电极上施加1.0 V的单周期去离子化,进一步量化PCF的脱盐能力和速率,观察盐浓度从501.2下降到477.5 mg/L。相比之下,在相同的电压偏置下,含CF和AC的CDI细胞盐浓度仅略有下降。PCF的脱盐能力为30 mgNaCl gPCF?1,优于其他CDI电极,最大脱盐速率为38 mg g?1 min?1,大约是碳纳米管、石墨烯、CFs和其他三维多孔碳的40倍。

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伴随PCF的能耗也很低,而且这种多功能材料可以去除水中其他常见的阳离子,包括钾离子(K )、镁离子(Mg2 )和钙离子(Ca2 )。化学反应并没有改变PCF的表面,这是由于CDI细胞的双层电性,使得在反复的充放电循环后,PCF的表面能够保留其脱盐能力,没有退化的迹象,也没有大量的损失。因此,Liu Tianyu Liu和他的同事将嵌段共聚物基PCF作为CDI的高性能电极材料,同时保持超高的脱盐能力,超越了其他最先进的碳材料。Liu等人将超快的脱盐速率和高的脱盐能力归功于PCF的结构、物理和电学特性的结合。在未来,Liu等人将研究PCF的特性如何影响脱盐性能——他们预计材料的表面特性与电容去离子化之间存在正相关关系。研究人员提出了额外的工程策略,利用PCF设计高效的海水淡化池,以进一步提高海水淡化的能力和速度。

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